【C++11并发】mutex 笔记

简介

在多线程中往往需要访问临界资源，C++11为我们提供了mutex等相关类来保护临界资源，保证某一时刻只有一个线程可以访问临界资源。主要包括各种mutex，他们的命名大都是xx_mutex。以及RAII风格的wrapper类，RAII就是一般在构造的时候上锁，在析构的时候解锁。

C++11提供的锁类型有三个：

mutex，头文件：
timed_mutex，头文件：
recursive_mutex，头文件：
recursive_timed_mutex，头文件：<shared_mutex>

C++11提供的RAII风格的wrapper类有两个：

lock_guard，头文件：
unique_lock，头文件：

std::mutex

mutex提供的方法不过，主要有lock和unlock

mutex只有默认构造方法，不允许拷贝构造，目前也没有提供移动构造

cpp 复制代码

constexpr mutex() noexcept;
mutex( const mutex& ) = delete;

lock和try_lock的区别是，lock会阻塞当前线程，而try_lock不会，如果没有获取到锁，则返回false，如果获取到则返回true。

std::timed_mutex

相比于mutex，timed_mutex多了try_lock_for和try_lock_until两个方法。try_lock_for表示花多长时间尝试获取锁，如果超过时长则失败。try_lock_until表示尝试获取锁到什么时候，如果超过指定时间点则失败。

try_lock_for的函数声明如下，两个模板参数都是形参timeout_duration的，Rep表示保存时间段的类型，Period表示单位，比如秒，毫秒等。详细参考：chrono。try_lock_for表达的意思就是：阻塞获取锁，最长阻塞timeout_duration时间。如果期间获取到了锁，则返回true，否则返回false。如果timeout_duration小于等于0，try_lock_for的行为就和try_lock一样。

cpp 复制代码

template< class Rep, class Period >
bool try_lock_for( const std::chrono::duration<Rep, Period>& timeout_duration );

例子：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <chrono>
 
void run(std::timed_mutex &mutex)
{
    if (mutex.try_lock_for(std::chrono::milliseconds(500))) {
        std::cout << "获得了锁" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "未获得锁" << std::endl;
    }
}
 
int main() {
    std::timed_mutex mutex;
 
    mutex.lock();
    std::thread thread(run, std::ref(mutex));
    thread.join();
    mutex.unlock();
 
    return 0;
}

//输出：未获得锁

try_lock_until的函数声明如下，两个模板参数都是形参timeout_time的，Clock是始终类型，Duration就是前面的std::chrono::duration。try_lock_until表达的意识就是：阻塞获取锁，一直阻塞到timeout_time这个时间点。如果期间获取到了锁，则返回true，否则返回false。time_point 参考。

cpp 复制代码

template< class Clock, class Duration >
bool try_lock_until( const std::chrono::time_point<Clock, Duration>& timeout_time );

例子：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <chrono>
 
void run(std::timed_mutex &mutex)
{
	std::chrono::time_point<std::chrono::system_clock> now = std::chrono::system_clock::now();
	
    if (mutex.try_lock_for(now + std::chrono::milliseconds(500))) {
        std::cout << "获得了锁" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "未获得锁" << std::endl;
    }
}
 
int main() {
    std::timed_mutex mutex;
 
    mutex.lock();
    std::thread thread(run, std::ref(mutex));
    thread.join();
    mutex.unlock();
 
    return 0;
}

//输出：未获得锁

std::recursive_mutex

recursive_mutex和mutex的区别就在"recursive"，recursive_mutex允许同一个线程多次lock，当然需要相同次数的unlock。c++没有规定最多可以调用多少次，如果到达了最大lock次数，lock方法会抛出异常（std::system_error），try_lock会返回false。

std::recursive_timed_mutex

recursive_timed_mutex就是recursive_mutex和timed_mutex的结合体，提供的方法如下：

std::lock_guard

lock_guard是一个RAII风格mutex wrapper，即就是在他析构的时候，会解锁他关联的mutex。一般在构造lock_guard的时候，给mutex上锁，当然也有例外，具体得看在调用lock_guard的构造方法时传的参数。

下面是lock_guard提供的方法

构造方法可用的有两个

cpp 复制代码

explicit lock_guard( mutex_type& m );                // 在构造lock_guard的时候调用m的lock方法，在析构的时候调用m的unlock方法
lock_guard( mutex_type& m, std::adopt_lock_t t );    // 只是关联m，但是不调用m的lock方法，在析构的时候调用m的unlock方法
lock_guard( const lock_guard& ) = delete;            // 禁止拷贝构造lock_guard

std::unique_lock

相比于lock_guard，unique_lock提供了更强大的功能，虽然不能拷贝，但是可以移动。处理支持mutex的所有操作外，还可以支持mutex延迟上锁，尝试上锁等。lock_guard提供的方法有：

unique_lock提供的构造方法比较多：

cpp 复制代码

unique_lock() noexcept;    // 构造一个不关联mutex的unique_lock对象，他可以通过移动拷贝操作符关联到一个mutex，或者调用swap方法
unique_lock( unique_lock&& other ) noexcept;    // 移动构造
explicit unique_lock( mutex_type& m );          // 构造unique_lock的时候，调用m.lock()
unique_lock( mutex_type& m, std::defer_lock_t t ) noexcept;    // 仅关联m，但是不调用m的lock方法
// 关联m，并且调用m的try_lock方法，当然前提是m有try_lock方法，如果没有，则行为是未定义的。
// try_lock可能失败，返回false。unique_lock的构造方法没有返回值，我们怎么知道m有没有上锁成功。
// 调用unique_lock的owns_lock方法，他返回bool，可以知道m有没有上锁成功。具体可以参考例子
unique_lock( mutex_type& m, std::try_to_lock_t t );  
// 关联已经上锁的m，如果m没有上锁，则行为未定义  
unique_lock( mutex_type& m, std::adopt_lock_t t );

// 构造unique_lock的时候，关联m，并且执行m.try_lock_for(timeout_duration)。
// m上锁有没有成功，仍然可以通过unique_lock的owns_lock方法获取
template< class Rep, class Period >
unique_lock( mutex_type& m, const std::chrono::duration<Rep, Period>& timeout_duration );

// 和上一个方法类似，只不过执行的是m.try_lock_until(timeout_time)
template< class Clock, class Duration >
unique_lock( mutex_type& m, const std::chrono::time_point<Clock, Duration>& timeout_time );

try_to_lock的例子：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <mutex>

std::mutex mtx;

void fun() {
	std::unique_lock<std::mutex> guard(mtx, std::try_to_lock);
    if (m_guard1.owns_lock()) {
    	std::cout << "try_to_lock success" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "try_to_lock failed" << std::endl;
    }
}

当unique_lock对象成功关联到了mutex，并且他获得了锁，则在析构的时候调用mutex的unlock方法。

unique_lock仅支持移动拷贝赋值操作符

cpp 复制代码

unique_lock& operator=( unique_lock&& other );

unique_lock还提供了获取mutex的方法，在调用unique_lock提供的各种lock类方法时，就如同mutex()->lock()

cpp 复制代码

mutex_type* mutex() const noexcept;

unique_lock还提供了unlock方法，当调用这个方法的时候，会调用mutex的unlock方法，并且unique_lock释放mutex，即不再关联当前mutex。当时当调用unlock方法时，没有关联到mutex，或者mutex没有获得锁，则会抛出std::system_error异常。

cpp 复制代码

void unlock();

unique_lock的release方法只是与关联的mutex断开关联，并不会调用mutex的unlock方法

cpp 复制代码

mutex_type* release() noexcept;

bool操作符，相当于调用owns_lock()，具体使用参考如下实例：

cpp 复制代码

explicit operator bool() const noexcept;

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <mutex>
#include <thread>

class Test {
public:
    void fun() {
        std::unique_lock<std::mutex> lck(m_mtx);
        if (bool(lck)) {
            std::cout << "lock succ: bool(lck)" << std::endl;
        }

        if ((bool)lck) {
            std::cout << "lock succ: (bool)lck" << std::endl;
        }

        if (lck) {
            std::cout << "lock succ: lck" << std::endl;
        }
    }

private:
    std::mutex m_mtx;
};

int main() {
    Test test;
    std::thread thread(&Test::fun, &test);
    thread.join();
    return 0;
}

/** 输出结果
 * lock succ: bool(lck)
 * lock succ: (bool)lck
 * lock succ: lck
 */